Tre ore per salvare la navicella dalla “morte”

La missione di Integral, il Laboratorio Internazionale di Astrofisica dei Raggi Gamma dell’Agenzia Spaziale Europea, è raccogliere la radiazione più energetica che proviene dallo spazio. Credito: ESA. Illustrazione di D. Ducros

Intorno al 22 settembre, a mezzogiorno, il veicolo spaziale integrato dell’Agenzia spaziale europea è entrato in modalità provvisoria di emergenza. Una delle tre “ruote di reazione” attive della navicella si è fermata senza preavviso e ha smesso di girare, causando un effetto a catena, il che significa che il satellite stesso ha iniziato a girare.

Come risultato della trasformazione del veicolo spaziale, i dati arrivavano al controllo a terra solo in modo intermittente e le batterie si scaricavano rapidamente. Con solo poche ore di energia rimasta, la missione del 19enne sembrava essere persa.

La missione di Integral, il Laboratorio Internazionale di Astrofisica dei Raggi Gamma dell’Agenzia Spaziale Europea, è quella di rilevare e raccogliere la radiazione più energetica che proviene dallo spazio. Il veicolo spaziale è stato lanciato nell’ottobre 2002 e sta aiutando a risolvere alcuni dei più grandi misteri dell’astronomia. Credito: ESA/D. Ducrosse

L’Integrated Flight Control Team, insieme alle dinamiche di volo e ai team della stazione di terra dell’ESOC Mission Controller dell’Agenzia spaziale europea, i team di ESAC e Airbus Defence & Space, hanno iniziato a lavorare. Con un pensiero rapido e soluzioni innovative, hanno trovato il problema e salvato la missione.

Cosa diavolo?

Il disturbo da evento singolo (SEU) si verifica quando una particella carica entra in collisione con una parte sensibile dell’apparecchiatura elettrica, causando un “cambiamento di stato” una tantum che ne interrompe il funzionamento. Queste particelle cariche “ionizzate” spesso provengono dal Sole quando materia ed energia vengono espulse durante i brillamenti solari o le espulsioni di massa coronale.

Tre ore per salvare Integral: cosa è successo? Credito: ESA

“Non credo che SEU in questa occasione fosse dovuto alla nostra stella locale a volte arrabbiata. Questo colpo è avvenuto in un giorno in cui non è stata osservata alcuna attività legata al meteo spaziale”, spiega Juha-Pekka Luntama, capo della divisione meteorologia spaziale presso il Agenzia spaziale europea.

“Sulla base di una discussione con i colleghi del nostro team di controllo di volo, sembra che l’anomalia sia causata da particelle cariche intrappolate nelle cinture di radiazioni attorno alla Terra”.

Le fasce di radiazione di Van Allen sono due regioni circolari a forma di torta che circondano la Terra, dove le particelle cariche di energia sono intrappolate all’interno del campo magnetico terrestre. Le loro proprietà variano in base all’attività solare e rappresentano un pericolo per i satelliti e gli esseri umani nello spazio che attraversano. Poiché il punto più basso dell’orbita di Integral è ora a soli 1.500 km dalla superficie terrestre, il veicolo spaziale attraversa entrambe le fasce di radiazione nella sua orbita.

Darmstadt abbiamo un problema

L’integrazione utilizza “ruote di reazione” – ruote che immagazzinano energia mentre gira – per controllare sottilmente la direzione in cui punta il veicolo spaziale senza la necessità di propulsori.

Improvvisamente, una di queste ruote di reazione si è fermata e, a causa della legge di conservazione dell’energia, quella forza di rotazione che era precedentemente nella ruota doveva andare da qualche altra parte: l’intera navicella spaziale. La navicella iniziò a ruotare, creando un arresto di emergenza sicuro che purtroppo, a causa di un precedente guasto, non era più affidabile e non era in grado di stabilizzare la missione.

L’Integrated Flight Control Team ha iniziato a lavorare per salvare la missione. Credito: ESA

La ruota di reazione è stata riattivata dalle squadre sulla Terra, ma il veicolo spaziale ha continuato a girare a una velocità media di circa 17 gradi al minuto (circa un giro ogni 21 minuti), oltre a oscillare inaspettatamente attorno ai suoi assi. Potrebbe non sembrare molto, ma la navicella stava ruotando cinque volte il suo massimo quando era sotto controllo.

“I dati dell’Integral erano intermittenti e arrivano per brevi periodi a causa della sua rotazione. Ciò ha reso l’analisi più difficile”, spiega Richard Southworth, Operations Manager per la missione.

“Le batterie erano scariche, con tempi di ricarica brevi solo quando i pannelli sono stati brevemente esposti al sole”.

La prima sfida è stata quella di ridurre il consumo energetico dell’Integral per guadagnare più tempo. Le prime stime della carica residua prima dell’interruzione di corrente e della perdita del satellite erano di sole tre ore. Passo dopo passo, spegnendo vari strumenti e componenti non critici, questo è aumentato a oltre sei ore. Il prossimo passo: smetti di girare.

Con il supporto di esperti del settore, il team dell’ESOC ha analizzato le condizioni delle ruote di reazione e ha fornito una serie di comandi per modificare la loro velocità e frenare il satellite in rotazione. Nel tardo pomeriggio, i comandi furono inviati e mostrarono immediatamente successo, ma passarono altre tre lunghe ore prima che il satellite fosse completamente sotto controllo e fuori pericolo immediato.

Il momento “Apollo 13” da Integral

“Tutti hanno tirato un sospiro di sollievo. Era così vicino, e siamo stati così sollevati di far uscire la navicella da un’esperienza di pre-morte”, ricorda Andreas Rudolph, capo delle missioni di astronomia nella Mission Operations Division dell’ESOC.

“La maggior parte del team di controllo stava lavorando da casa a questo punto – stavo seguendo le operazioni dal treno! – e ha lavorato fino alle 4 del mattino per riportare la navicella completamente stabile, in posizione e affrontare il sole per ricaricare le batterie”.

Un’impressione artistica dei meccanismi in un sistema binario interattivo. La massiccia stella compagna (sul lato destro) emette molto gas sotto forma di “venti stellari”. Il buco nero compresso orbita attorno alla stella e, a causa della sua forte gravità, raccoglie molto gas. Alcuni di essi vengono convertiti e accelerati in un hot disk. Questo rilascia una grande quantità di energia in tutte le gamme spettrali, dai raggi gamma al visibile e all’infrarosso. Tuttavia, i gas rimanenti che circondano il buco nero formano una spessa nube che blocca la maggior parte della radiazione. Solo i raggi gamma altamente energetici possono sfuggire ed essere rilevati dall’Integrale. Credito: ESA

Sfortunatamente, poche ore dopo, quando la squadra si è incontrata di nuovo per discutere i prossimi passi, la navicella ha ricominciato a girare, le sue ruote di reazione girano di nuovo ad alta velocità. La ragione di ciò non è ancora completamente compresa, ma si pensa che sia correlata a un “inseguitore stellare che scompare” o “accecamento” che non viene gestito correttamente dai sistemi di controllo del satellite – effettivamente quando la Terra ostacola la vista di un veicolo spaziale delle stelle che usa per dirigersi.

Il team ha ripetuto i passaggi dei giorni precedenti per stabilizzare la navicella spaziale e tornare alla modalità di guida solare, questa volta senza intralciare gli star tracker. Il recupero ha richiesto solo poche ore, applicando le lezioni apprese la prima volta.

L’immagine più nitida della Nebulosa di Orione del telescopio Hubble. Questa immagine drammatica offre uno sguardo all’interno di una “grotta” di polvere e gas dove si stanno formando migliaia di stelle. L’immagine, scattata dall’Advanced Camera for Surveys (ACS) a bordo dell’Hubble Space Telescope della NASA, rappresenta la visione più nitida mai scattata di questa regione, chiamata Nebulosa di Orione. In questa immagine compaiono più di 3000 stelle di diverse dimensioni. Alcuni non sono visti in luce visibile. Credito immagine: NASA, ESA e M. Roberto (STScI/ESA) e il team dell’Orion Treasury Project del telescopio spaziale Hubble.

Da allora Integral è rimasto sotto controllo e dal 27 settembre tutti i sistemi sono tornati online. Dal 1 ottobre, dopo un lungo esodo, i loro strumenti sono tornati ad osservare l’universo ad alta energia.

Uno dei primi obiettivi di Integral sarà osservare stelle massicce nella regione di Orione e studiare l’effetto sull’ambiente circostante quando si trasformano in una supernova.

“Siamo tornati anche alle osservazioni del “obiettivo dell’opportunità””, afferma Erik Kuulkers, scienziato del progetto Integral dell’ESA, “il che significa che Integral reagisce di nuovo rapidamente per studiare eventi esplosivi e inaspettati nell’universo”.

Opinione dell’artista su Integral. Credito: ESA

Problema di pagamento

Questa non è la prima volta che questa missione di 20 anni ha causato costernazione per il team di controllo del centro operativo ESOC dell’Agenzia spaziale europea. L’anno scorso, Integral ha lanciato i propri motori di propulsione per forse l’ultima volta prevista, dopo un guasto al suo sistema di propulsione.

È un sistema di pagamento difettoso, il che significa che la normale modalità sicura era inefficace in questa occasione. Con la modalità ora disabilitata, la squadra di controllo sta lavorando a una nuova sequenza di salvataggio automatico che dovrebbe simulare molte delle operazioni eseguite dopo questa anomalia, ma molto più velocemente.

Quando il sistema di propulsione si è guastato, il team si è reso conto che avrebbe dovuto imparare a manovrare il satellite da quattro tonnellate usando solo le ruote di reazione altamente sensibili, per scaricare energia a intervalli regolari e contrastare le forze sul veicolo spaziale, inclusa la leggera spinta della luce solare. Era una soluzione che non era stata tentata prima.

“All’inizio non credevo fosse possibile. Noi e i nostri colleghi abbiamo verificato le dinamiche di volo e la teoria ha indicato che avrebbe funzionato. Dopo aver eseguito le simulazioni, l’abbiamo testato sul veicolo spaziale”, spiega Richard.

“Grazie al nostro arguto team e all’aiuto di esperti di vari settori, Integral continua la sua vita. Per quasi due decenni, ha superato di gran lunga le aspettative per quella che doveva essere una missione di cinque anni”.

Ascolta Richard raccontare la storia del precedente salvataggio e potenziamento di Integral e l’incredibile lavoro di squadra che ha salvato la missione, nell’episodio finale di L’ESA esplora il podcast sulle operazioni spaziali.